The Physical Chemistry of Copper Smelting Slags and Copper Losses at the Paipote SmelterPart 2 – Characterisation of industrial slags

Abstract

The results of an investigation on copper losses in industrial slag from the Teniente converter (TC) and from the electrical slag cleaning furnace (EF) at the Paipote smelter in Chile are presented. Slag samples from each furnace were characterised using chemical and mineralogical techniques. The distribution of the various phases, including entrained matte, was quantified by semi-automatic image analysis. The level of soluble copper was measured by EPMA on samples cooled at a fast cooling rate. The phases found in the slag samples after such cooling are in agreement with thermodynamic calculations of the solidification process. Two types of magnetite crystals were observed in the TC slag samples: magnetite formed during slag solidification (type II) and magnetite which was present as a solid in the melt (type I). The portion of magnetite (type I) was found negligible in the EF slag samples. Sulphide phases were identified in the slag samples as solidified entrained matte, and sulphides present via ex-solution from the liquid slag during solidification. In the case of the TC, the present study has shown that with ～4·6 wt-%Cu in slag, about 87% was present as entrained matte. For the electrical furnace, the amount of entrained matte represents some 25% of the copper when the average copper level in EF slag samples was ～0·74 wt-%Cu.

Les résultats d'une étude sur les pertes en cuivre dans les laitiers du convertisseur Teniente (TC) et du four électrique (EF) de nettoyage du laitier de la fonderie de Paipote au Chili sont présentés. On a caractérisé des échantillons de laitier de chaque four en utilisant des techniques chimiques et minéralogiques. On a quantifié la distribution des diverses phases, incluant la matte entraînée, au moyen de l’analyse d’image semi-automatique. On a mesuré le niveau de cuivre soluble par EPMA sur des échantillons refroidis à un taux rapide de refroidissement. Les phases retrouvées dans les échantillons de laitier après un tel refroidissement sont en accord avec les calculs thermodynamiques du processus de solidification. On a observé deux types de cristaux de magnétite dans les échantillons de laitier du TC: la magnétite formée lors de la solidification du laitier (type II) et la magnétite présente sous forme solide dans le bain (type I). On a trouvé que la portion de magnétite (type I) était négligeable dans les échantillons de laitier du EF. Les phases de sulfure provenant de la matte entraînée solidifiée et les phases de sulfure formées par ex-solution du laitier durant la solidification ont été identifiées dans les échantillons industriels. Dans le cas du convertisseur Teniente, l’étude présente a montré qu’avec ～4·6 wt-% de Cu dans le laitier, environ 87% du cuivre était présent sous la forme de matte entraînée. Pour le four électrique, la quantité de matte entraînée représente quelque 25% du cuivre lorsque le niveau de cuivre moyen dans les échantillons de laitier du EF était de ～0·74 wt-%Cu.     

Physical chemistry of copper smelting slags and copper losses at the Paipote smelterPart 1 – Thermodynamic modelling

Abstract

Thermodynamic modelling was used in conjunction with the results of a sampling campaign to investigate the liquidus temperature and the copper losses in slag from the Teniente converter (TC) and from the slag cleaning electrical furnace (EF) at the Paipote smelter in Chile. The present paper (Part 1) describes the smelter flow sheet and discusses the results of thermodynamic calculations. The impact of process parameters such as the Fe/SiO₂ ratio, the minor oxide levels in slag (CaO, Al₂O₃, MgO and ZnO), the sulphur dioxide partial pressure p(SO₂), temperature and matte composition were examined with respect to the slag liquidus and copper level in the slags. The operating window of the Paipote TC to produce good slag quality correspond to a vessel temperature between 1200 and 1250°C, and an Fe/SiO₂ ratio in slag between 1·5 and 1·8 when the iron content of the matte is in the range of 3–6 wt-%Fe (or 76·5–73·2 wt-%Cu). Under these conditions, the TC slag (average total copper in slag ～6 wt-%Cu) contains less than 1 wt-%Cu as soluble copper with approximately 90% of total copper in the slag is entrained matte; it is noted that 0–10 wt-% solid magnetite is in suspension in the slag. As regards the EF, over the nominal temperature range from 1200 and 1270°C, the EF slag is fully molten over a wide range of Fe/SiO₂ ratios for slag containing the present level of minor oxides. An operating temperature of about 1225°C and a Fe/SiO₂ ratio in the range 1·4–1·8 are considered good conditions for optimum EF performance. The EF slag typically averages 0·82 wt-%Cu and it was estimated that under present conditions, about 50% of this copper was as soluble copper with the balance as entrained matte.

La modélisation thermodynamique a été utilisée en conjonction avec les résultats d’une campagne d’échantillonnage pour examiner la température de liquidus et les pertes en cuivre dans le laitier du convertisseur de Teniente (TC) et du four électrique (EF) de nettoyage du laitier de la fonderie de Paipote au Chili. Le présent article (1^iere Partie) décrit le schéma du procédé de la fonderie et discute les résultats des calculs thermodynamiques. On a examiné l’impact des paramètres du procédé, comme le rapport Fe/SiO2 dans le laitier, le niveau de CaO, Al2O3, MgO et ZnO dans le laitier, la pression partielle du dioxyde de soufre p(SO2), la température et la composition de la matte, sur le líquidus du laitier et sur le niveau de cuivre soluble dans le laitier. La fenêtre d’opération du TC de Paipote permettant de produire une bonne qualité de laitier correspond à une température entre 1200 et 1250C et à un rapport Fe/SiO2 dans le laitier entre 1·5–1·8 lorsque la teneur en fer de la matte est dans la gamme de 3 à 6% en poids (ou 76·5 à 73·2%Cu). Sous ces conditions, le laitier du TC contenant un cuivre moyen total d’environ 6% contient moins que 1% en poids de Cu sous forme de cuivre soluble. Ce rapport permet de déduire qu’approximativement 90% du cuivre total dans le laitier est sous forme de matte entraînée. On note également qu’entre 0 et 10% en poids de magnétite solide est en suspension dans le laitier, dans les conditions normales d’opération. En ce qui concerne le EF, le laitier est complètement fondu sur une large gamme de rapports de Fe/SiO2 pour une température comprise entre 1200 à 1270°C en considérant les niveaux actuels en CaO, Al2O3, MgO et ZnO dans le laitier. Une température de fonctionnement d’environ 1225C et un rapport Fe/SiO2 dans une gamme de 1·4 à 1·8 sont considérés comme des bonnes conditions pour le rendement optimal du EF. Le laitier du EF contient typiquement une moyenne de 0·82% Cu et l’on a estimé que sous les conditions présentes, environ 50% de ce cuivre se trouvait sous la forme de cuivre soluble, le reste étant sous la forme de matte entraînée.     

The recovery of non-ferrous metals from secondary copper smelter discard slags

Abstract

The use of carbothermic reduction as a method of recovering copper and other non-ferrous metals from smelter discard slags has been examined. Although several pilotscale tests (referred elsewhere) showed that the recovery of copper into a base metal can exceed 70%, even for a slag originally containing only 1.5% copper, it was considered that further studies under controlled laboratory conditions were necessary to obtain a better understanding of the reduction mechanisms involved. Results from these laboratory studies show that not only is the extraction of copper related to the copper and iron contents of the original slag, but the initial slag composition also influences the composition of the base-metal. With the data obtained it is now possible to estimate the grade-recovery relationship from slags of different compositions. The physical and chemical nature of the slags after treatment is also discussed and it is concluded that refractory attack, and the subsequent assimilation of the refractory into the slag matrix may play a significant role in the mechanism by which metals are retained in slags.

Résumé

La méthode de réduction carbothermique pour la récupération du cuivre et d'autres métaux non ferreux des laitiers mis au rebut d'une fonderie a été examinée. Plusieurs essais à l'échelle pilote ont démontré que la récuperation du cuivre au moyen d'un vil métal peut excéder 70%, même pour un laitier contenant seulement 1.5% eu au départ. On considère alors que les etudes approfondies dans les conditions contrôlées en laboratoire étaient nécessaires pour obtenir une meilleure connaissance des mécanismes de la réduction. Les résultats expérimentaux montrent que l'extraction du cuivre dépend de la teneur originale en cuivre et en fer dans Ie laitier. De plus, la composition initiale du laitier a une influence sur la composition du vil métal. Avec les données expérimentales on peut estimer le rapport teneur-récupération des laitiers aux differentes compositions. Les comportements physique et chimique sont aussi abordés et on constate que l'usure du réfractaire aussi bien que la dissolution subséquente du réfractaire vers la matrice du laitier peuvent jouer un rôle significatif dans le mécanisme de retenu des métaux par les laitiers.     

Freeze lining formation in continuous converting calcium ferrite slags. I

The initial freeze-lining growth rate in calcium ferrite slags at copper saturation is high and comparable to iron silicate slags. The entire freeze-lining layer is crystalline, from the cold end to its hot-face in contact with the molten slag. Industrial copper converting slags from a continuous flash converting furnace, processing solid high-grade matte to blister copper, generate a thin calcium sulphate bonding layer against the water-cooled metal surface during the very first minutes of the slag-to-cooling element contact. The rare solidification behaviour was observed using the water-cooled probe technique in rotating MgO crucibles, at slag temperatures of 1325°C when liquidus temperature of the flash converting slag was estimated to locate at about 1245°C. The body of the freeze lining is mostly composed of magnetite, various mixed calcium–copper ferrites and delafossite embedded in an intergranular phase of metallic copper and some copper oxide. The arsenic oxides dissolved in the slag are precipitated as solid calcium arsenates in the freeze lining.

La vitesse initiale de croissance du revêtement de gel des scories de ferrite de calcium saturées en cuivre est élevée et comparable à celle des scories de silicate de fer. Toute la couche du revêtement de gel est cristalline, de l’extrémité froide jusqu’à sa face chaude en contact avec la scorie fondue. Les scories industrielles de cémentation de cuivre d’un four éclair de cémentation en continu, transformant une matte solide de haute qualité en un cuivre ampoulé, engendrent une mince couche de liaison de sulphate de calcium contre la surface de métal refroidie à l’eau lors des toutes premières minutes du contact de la scorie avec l’élément de refroidissement. On a observé ce comportement rare de solidification en utilisant la technique de la sonde refroidie à l’eau dans des creusets de MgO en rotation. La température de la scorie était de 1325°C alors que la température de liquidus de la scorie de cémentation éclair était estimée à environ 1245°C. Le corps du revêtement de gel est composé principalement de magnétite, de diverses ferrites mélangées de calcium et cuivre et de délafossite, qui sont incluses dans une phase intergranulaire de cuivre métallique et d’un peu d’oxyde de cuivre. Les oxydes d’arsenic dissous dans la scorie sont précipités dans le revêtement de gel sous forme d’arséniates solides de calcium.     

A study of ancient slags from Oman

Abstract

Microscopic, chemical and X-ray techniques were used to examine slags from an extensive ancient mining site in the Persian Gulf area. The experimental results indicated that the samples were pieces of tapped slag and furnace slag from a production of copper matte. Such copper mattes could have been smelted in furnaces similar to those used during the Roman period in Timna, Israel.

Résumé

Les auteurs ont utilisé des techniques microscopiques, chimiques et de rayon-X pour examiner les laitiers provenant d'un ancien site minier de grande envergure de la région du Golfe Persique. Les résultats expérimentaux ont révélé que les échantillons étaient des morceaux de laitier de perçage et de laitier de fourneau venant de la production d'une matte de cuivre. Le smeltage de telles mattes de cuivre aurait pu se faire dans des fourneaux semblables à ceux utilises dans la période romaine à Timna en Israel.     

PREPARATION AND PERFORMANCE OF COKE ANODES FOR FERROUS TO FERRIC ION OXIDATION IN A NEW COPPER ELECTROWINNING CELL

Abstract

Coke anodes were prepared in order to use them in a lab scale copper electrowinning (EW) cell based on reactive electrodialysis (RED) which uses the ferrous/ferric ion oxidation as an anodic reaction. The effects of various anode production parameters were studied and optimized. The most significant variables determining anode quality were baking temperature, baking atmosphere and compacting pressure. When applied in the Cu electrowinning RED cell with a cell current density of 300 A/m2, the optimized coke anode produced a cell voltage of 1.05 V which is half the cell voltage obtained in conventional copper EW cells and less than half the value obtained in the RED cell with a non-optimized coke anode. This represents considerable energy savings.

On a préparé des anodes de coke afin de les utiliser dans une cellule d’extraction électrolytique (EW) du cuivre à l’échelle du laboratoire basée sur l’électrodialyse réactive (RED) qui utilise l’oxydation de l’ion ferreux/ferrique comme réaction anodique. On a étudié et optimisé l’effet de divers paramètres de production de l’anode. Les variables les plus importantes dans la détermination de la qualité de l’anode incluaient la température de cuisson, l’atmosphère de cuisson et la pression de compaction. Lorsque appliquée à une cellule d’extraction électrolytique RED du Cu avec une densité de courant de la cellule de 300 A/m2, l’anode de coke optimisée produisait un voltage cellulaire de 1.05 V, ce qui est la moitié du voltage cellulaire obtenu dans les cellules d’extraction électrolytiques conventionnelles du cuivre et moins que la moitié de la valeur obtenue dans la cellule RED avec une anode de coke non optimisée. Ceci représente des économies d’énergie importantes.     

Effect of Copper Alloying on Fatigue Life and Fatigue Crack Growth Behaviour of Ductile Cast Irons

Abstract

Specimens cut out and machined from Cu alloyed (about 1.6%) and unalloyed (less than 0.012%) ductile cast iron ingots were tested under cycling loading to reveal the effect of copper addition on fatigue performance. The influence of solidification rate and hence the microstructure were also studied by preparing sand cast and die cast ingots from each composition. Some high copper die cast specimens were annealed to spheroidize and homogenize the matrix’s pearlite structure. All experiments were carried out by subjecting CT type specimens to constant load amplitude and tensile to tensile sinusoidal load cycles. Electrical crack foils were employed to measure instantaneous crack sizes. Cu alloyed samples showed higher fatigue lives. Similarly, crack growth rate diagrams pointed out lower fatigue crack velocities and higher near threshold stress intensity factors in high Cu specimens. The spheroidization of pearlitic matrix resulted in an insignificant increase in fatigue crack growth rate and a 10% decrease in near threshold stress intensity value. The fatigue performance of sand cast pieces was better than die cast ones. It is concluded that the fatigue life of ductile cast irons can be improved by copper alloying.

Des éprouvettes coupées et usinées à partir de lingots de fonte ductile alliée au cuivre (approximativement 1.6%) et non alliée (moins de 0.012%) ont été évaluées sous effort cyclique afin de révéler l’effet de l’addition de cuivre sur le comportement de fatigue. On a également étudié l’influence du taux de solidification, et ainsi de la microstructure, en préparant des lingots coulés en sable et d’autres coulés en coquille, à partir de chaque composition. On a recuit quelques éprouvettes à haute teneur en cuivre, coulées en coquille, pour obtenir la sphéroïdisation et l’homogénéisation de la structure perlitique de la matrice. On a effectué toutes les expériences en exposant les éprouvettes de type C-T à des cycles avec charge d’amplitude constante, à charge sinusoïdale traction à traction. On a utilisé des films électriques à fissure pour mesurer la taille instantanée des fissures. Les échantillons alliés au cuivre ont montré une plus grande résistance à la fatigue. De façon similaire, des diagrammes de taux de croissance de la fissure indiquaient des vélocités plus basses de fissure due à la fatigue et des facteurs plus élevés d’intensité de contrainte près de la limite pour les éprouvettes à haute teneur en Cu. La sphéroïdisation de la matrice perlitique a résulté en une augmentation insignifiante du taux de croissance de fissure due à la fatigue et en une diminution de 10% de la valeur d’intensité de contrainte près de la limite. Le comportement de fatigue des pièces coulées en sable était meilleur que celui des pièces coulées en coquille. On conclut que la résistance à la fatigue des fontes ductiles peut être améliorée par alliage au cuivre.     

Extractive metals from metallic powders recovered from waste printed circuit boards

Leaching behaviours of metallic powders were investigated using electrically generated chlorine at the anode chamber containing sulphuric acid solution, NaCl and CuSO₄. Various parameters, which included the solid/liquid ratio, current density, concentration of NaCl, CuSO₄, and H₂SO₄, leaching temperature, particle size, and stirring speed, were studied to understand the mechanism of leaching metallic powders. The capability of dissolved metallic powders increased with the increase in all parameters except the solid/liquid ratio. Leaching metallic powders were transport-controlled with a low activation energy of 14·7 kJ mol^?1. The dissolved copper could be transferred from the anodic chamber to the middle chamber by solvent extraction technology. In the electric field, copper ions are transferred from the middle chamber to the cathodic chamber through a cation exchange membrane (CEM) and electrodeposited to form copper foils. The tensile strength and elongation percentage of 65 μm-thick copper foils were 276 Mpa and 10·66%, respectively. The utilisation of metallic powders recovered from waste PCBs (WPCBs) could produce high-performance copper foil.

On a examiné le comportement de lixiviation de poudres métalliques en utilisant du chlore engendré par électricité dans la chambre de l’anode contenant une solution d’acide sulfurique, du NaCl et du CuSO₄. On a étudié une variété de paramètres, incluant le rapport solide à liquide, la densité de courant, la concentration de NaCl, de CuSO₄ et d’H₂SO₄, la température de lixiviation, la taille de particule et la vitesse d’agitation, afin de comprendre le mécanisme de lixiviation des poudres métalliques. La capacité des poudres métalliques dissoutes augmentait avec l’augmentation de tous les paramètres, sauf le rapport solide à liquide. Les poudres métalliques de lixiviation étaient contrôlées par le transport, avec une faible énergie d’activation de 14·7 kJ/mol. On pouvait transférer le cuivre dissous de la chambre anodique à la chambre du milieu au moyen de la technologie d’extraction par solvant. Dans un champ électrique, les ions de cuivre étaient transférés de la chambre du milieu à la chambre cathodique par une membrane d’échange de cation et étaient déposés par galvanoplastie pour former des feuilles de cuivre. La résistance à la traction et le pourcent d’élongation de feuilles de cuivre de 65 μm d’épaisseur étaient respectivement de 276 MPa et de 10·66%. Les poudres métalliques récupérées de cartes de circuit imprimé de rebut pourraient produire une feuille de cuivre à haute performance.     

On enhancement of hypoeutectic aluminium–silicon powder metallurgy alloy

Abstract

Currently, there exists a considerable demand within the automotive industry for the development of aluminium–silicon alloys that can be processed through powder metallurgy (PM) technologies. As such, a study aimed at the development of a new hypoeutectic aluminium–silicon PM alloy (Al–6Si–4·5Cu–0·5Mg–0·2Sn) was recently undertaken. Although the preliminary data were encouraging, it was postulated that a refinement of the bulk alloy chemistry could yield additional gains. In the present work, the sintering response mechanical properties of this alloy were enhanced by making controlled adjustments in composition. The influence of the amount and raw powdered sources of copper, magnesium and tin were the principal variables investigated. Using XRD and metallographic examination, it was determined that a decrease in the copper content to 3·0 wt-% improved ductility significantly. Furthermore, the incorporation of magnesium as an elemental powder versus an Al–Mg master alloy improved sintering behaviour significantly, while tin additions up to 0·2 wt-% increased yield stress and hardness. The optimised alloy exhibited a threefold increase in ductility as well as a 25% gain in yield strength.

Présentement, il existe une grande demande dans l’industrie de l’automobile pour le développement d’alliages aluminium silicium qu’on peut obtenir par les techniques de métallurgie des poudres (PM). Ainsi, on a récemment entrepris une étude visant au développement d’un nouvel alliage hypoeutectique aluminium silicium (Al-6Si-4·5Cu-0·5Mg-0·2Sn) par PM. Bien que les données préliminaires soient encourageantes, on a postulé qu’un raffinement de la chimie de l’alliage brut pourrait produire des gains additionnels. Dans le présent travail, on a amélioré les propriétés mécaniques de la réponse au frittage de cet alliage en faisant des ajustements contrôlés de la composition. L’influence de la quantité et l’influence des sources de poudres brutes de cuivre, de magnésium et d’étain étaient les principales variables examinées. En utilisant la XRD et l’examen métallographique, on a déterminé qu’une diminution de la teneur en cuivre à une valeur de 3·0% en poids améliorait significativement la ductilité. De plus, l’incorporation du magnésium comme poudre élémentaire par rapport à un alliage maître d’Al-Mg améliorait significativement le comportement de frittage, alors que des additions d’étain jusqu’à 0·2% en poids augmentaient la limite élastique et la dureté. L’alliage optimisé exhibait une augmentation triple de la ductilité ainsi qu’un gain de 25% de la limite d’élasticité.     

METAL RECOVERY FROM KIVCET SLAG

Abstract

Following work on the recovery of metallic values from final fumer slag in lead-zinc refineries [1,2], a study was conducted on the potential to reduce lead and zinc directly from Kivcet slag and potentially obviate the need for slag fuming. Slag from the Kivcet process for lead production is an FeO(Fe₂O₃)-CaO-SiO₂ slag containing roughly 16% zinc, 10% lead and some trace elements such as antimony, arsenic, indium and germanium. Metal recovery from this slag was examined using three methods employed for the fumer slag study: 1) holding at temperature to allow the divalent iron to reduce the metal ions into the gas phase; 2) equilibration with a copper “getter” and 3) electro reduction into a liquid copper cathode using a graphite anode.

The presence of metallic lead and carbon in the Kivcet slag has a significant influence on the recovery of metal from the slag in subsequent processing. Holding of the slag at temperature permitted the recovery of much of the metallic lead as vapour and some small recovery of zinc as fume. When copper was used as a getter, more zinc and lead were recovered. In electrorefining, lead recovery was much higher than that in equilibrating with copper, but there was no obvious enhancement in zinc recovery. Aseries of experiments were also conducted in which Kivcet slag was treated to remove some of the zinc and the lead and then was electrorefined three times. The zinc and lead contents in the final slag decreased to 5.9 and 0.3%, respectively. Although most of the lead was recovered, further refining would still be required to capture the remaining zinc metal.

À la suite du travail de récupération des valeurs métalliques de la scorie finale de “fumer” des raffineries de plomb–zinc, on a effectué une étude sur la possibilité de réduire le plomb et le zinc directement à partir de la scorie de Kivcet et possiblement d’éliminer la réduction des scories. La scorie du procédé de Kivcet pour la production de plomb est une scorie de FeO(Fe₂O₃)-CaO-SiO₂ contenant approximativement 16% de zinc, 10% de plomb et quelques éléments trace comme l’antimoine, l’arsenic, l’indium et le germanium. On a examiné la récupération du métal de cette scorie en utilisant trois méthodes employées dans l’étude de scorie de “fumer”: 1) maintenir à la température pour permettre au fer divalent de réduire les ions de métal dans la phase gazeuse; 2) équilibration avec un “getter” de cuivre et 3) réduction électrolytique dans une cathode de cuivre liquide en utilisant une anode en graphite.

La présence de plomb et de carbone métalliques dans la scorie de Kivcet a une influence importante sur la récupération du métal de la scorie dans un traitement subséquent. Le maintien de la scorie à la température a permis la récupération de presque tout le plomb métallique sous forme de vapeur et d’une petite partie du zinc sous forme de fumée. Lorsque l’on a utilisé le cuivre comme getter, on récupérait une plus grande quantité de zinc et de plomb. Avec l’électroaffinage, la récupération du plomb était beaucoup plus élevée qu’avec la méthode d’équilibration avec le cuivre, mais il n’y avait pas d’amélioration évidente pour la récupération du zinc. On a également effectué une série d’expériences où la scorie de Kivcet était traitée afin d’enlever une partie du zinc et du plomb et était ensuite électroaffinée trois fois. La teneur en zinc et en plomb de la scorie finale était réduite à 5.9 et à 0.3%, respectivement. Bien que presque tout le plomb était récupéré, un raffinage additionnel serait encore nécessaire pour capturer le reste de zinc métallique.     

A study of reduction and magnetic separation of iron from high iron bauxite ore

Abstract

The removal of iron as magnetite from a high iron bauxite ore was investigated by carbothermal reduction and magnetic separation. Thermodynamic calculations using HSC Chemistry 6·1 were utilised to determine the equilibrium compositions of the reaction products as a function of temperature and carbon additions. Under equilibrium conditions, the formation of hercynite (FeAl₂O₄) restricted the conversion of haematite to magnetite and the equilibrium calculations were adjusted so that the amount of hercynite was limited. Also, thermogravometric analysis and differential thermal analysis with evolved gas analysis tests were performed in order to elucidate the reduction reactions. Furthermore, high temperature reduction experiments were carried out in order to quantify the effects of processing time, temperature and carbon additions on the amount of the magnetic fraction. The degree of removal of the iron and the alumina recovery were determined. For a given set of conditions, the maximum iron removal as magnetite could only be achieved by quenching the reacted samples. The results demonstrated that at a reduction temperature of ～1073 K, ～58% of the iron could be removed in the magnetic fraction with an alumina recovery of ～85% in the non-magnetic fraction.

On a examiné l’enlèvement du fer sous forme de magnétite d’un minerai de bauxite à haute teneur en fer, au moyen de la réduction carbothermique et séparation magnétique. On a utilisé des calculs de thermodynamique avec ″HSC Chemistry 6·1″ pour déterminer les compositions d’équilibre des produits de la réaction en fonction de la température et des additions de carbone. Sous les conditions d’équilibre, la formation d’hercynite (FeAl₂O₄) restreignait la conversion d’hématite en magnétite et l’on a ajusté les calculs d’équilibre afin de limiter la quantité d’hercynite. On a également effectué des essais de TGA-DTA avec EGA afin d’élucider les réactions de réduction. De plus, on a exécuté des expériences de réduction à haute température afin de quantifier l’effet de la durée de traitement, de la température et des additions de carbone sur la quantité de fraction magnétique. On a déterminé le degré d’enlèvement du fer et de la récupération d’oxyde d’aluminium. Pour un ensemble donné de conditions, on peut obtenir l’enlèvement maximal de fer sous forme de magnétite seulement par trempe de refroidissement des échantillons réagis. Les résultats ont démontré qu’à une température de réduction d’environ 1073 K, on pouvait enlever environ 58% du fer dans la fraction magnétique, avec une récupération de l’oxyde d’aluminium d’environ 85% dans la fraction non magnétique.     

THE INFLUENCE OF CHEMICAL COMPOSITION ON THE CRYSTALLIZATION AND THE HEAT TRANSFER OF SYNTHETIC MOULD FLUXES

Abstract

Eight synthetic mould fluxes were prepared considering two Na2O levels and two fluorine (F) contents of approximately 5 and 12% and adjusting the basicity ratio to 0.9 and 1.2. An experimental set-up based on a water cooled copper finger was used to study the crystallization behaviour of the 8 fluxes (2 levels, 3 parameters) and to compare the thermal resistance of these fluxes, when in contact with a water cooled copper finger. Differences in thickness and in crystallization level depend upon their chemical composition and have a direct influence on the heat transfer at the solid slag/copper interface. The thermal resistance increases with thickness and higher crystalline content.

Huit laitiers synthétiques ont été préparés en choisissant deux différentes teneurs en Na2O, deux différentes teneurs en fluor (F), 5 et 12%, et en ajustant l’indice de basicité à 0.9 et 1.2. Un montage expérimental utilisant un doigt en cuivre refroidi à l’eau a par la suite été utilisé pour caractériser la cristallisation des 8 laitiers et pour comparer les résistances thermiques des différentes couches de laitier solide. Les différences d’épaisseur et de cristallinité peuvent être reliées à la composition chimique, et affectent le transfert de chaleur à l’interface solide-cuivre. La résistance thermique augmente avec l’épaisseur et le pourcentage de cristallinité.     

High Temperature Oxidation of Copper and Copper Aluminum Alloys

Abstract

Small amounts of aluminum (1 to 3 wt% Al) were alloyed with copper to study oxidation resistance at high temperatures. Pure copper and the alloyed samples were oxidized from 700 to 1000 °C in air for various lengths of time. The oxidation rates of the samples increased with temperature. The oxidation rates of pure copper and the 1 wt% Al sample were found to follow parabolic rate law kinetics in the temperature range studied indicating diffusion controlled growth. The oxidation resistance of the 2 wt% Al alloy disappeared between 800 and 900 °C. It was found that the 3% Al-Cu samples oxidized at a rate 100 times lower than that of pure copper. The activation energy of copper oxidation at 122 kJ/mol was found to be very close to reported values.

On a allié de petites quantités d’aluminium (1 à 3% Al en poids) avec du cuivre afin d’étudier la résistance à l’oxydation à des températures élevées. On a oxydé le cuivre pur et les échantillons alliés entre 700 et 1000 °C, à l’air, sur des durées variées. Le taux d’oxydation des échantillons augmentait avec la température. On a trouvé que le taux d’oxydation du cuivre pur et celui de l’échantillon de 1% en poids d’Al suivaient une loi cinétique à taux parabolique dans le domaine de température étudié, indiquant une croissance contrôlée par la diffusion. La résistance à l’oxydation de l’alliage à 2% en poids d’Al disparaissait entre 800 et 900 °C. On a trouvé que les échantillons de 3% Al-Cu s’oxydaient à un taux 100 fois plus faible que celui du cuivre pur. L’énergie d’activation de l’oxydation du cuivre, à 122 kJ/mol, se rapproche des valeurs rapportées.     

Effect of submerged arc welding parameters on microstructure of SA516 steel weld metal

Abstract

The influence of submerged arc welding (SAW) process parameters on the microstructure of SA516 grade 70 steel weld metal (WM) was investigated in the present work. Steel plates of 17 mm thickness were submerged arc welded using welding currents of 700–850 A and welding speeds of 5·3–15·3 mm s^?1. The morphologies and volume fractions of the various ferrites in the WM were studied using optical microscopy and the morphologies and chemical compositions of the WM inclusions were examined using scanning electron microscopy and energy dispersive X-ray spectrometry. The results showed that the WM grain structure coarsened but the grain width of prior austenite grains decreased with increasing heat input. Also, the proportion of acicular ferrite (AF) in the WM increased initially, while the volume fractions of grain boundary ferrite and Widmanstätten ferrite decreased with increasing welding current. However, with further increasing the welding current above 800 A, less AF was produced. The weld nugget area decreased with increasing welding speed at all currents, but did not affect the amount of AF produced.

Au cours de ce travail, on a examiné l’influence des paramètres du procédé de soudage à l’arc sous flux en poudre (SAW) sur la microstructure du métal soudé (WM) de l’acier SA516, Gr. 70. On a soudé à l’arc sous flux en poudre des tôles d’acier de 17 mm d’épaisseur en utilisant des courants de soudage de 700 à 850 A et des vitesses de soudage de 5·3 à 15·3 mm s^?1. On a étudié la morphologie ainsi que la fraction volumique des diverses ferrites du WM en utilisant la microscopie optique et l’on a examiné la morphologie ainsi que la composition chimique des inclusions du WM en utilisant la microscopie électronique à balayage (SEM) et la spectroscopie à dispersion d’énergie (EDS). Les résultats ont montré que la structure de grain du WM grossissait mais que la largeur de grain des grains antérieurs d’austénite diminuait avec une augmentation de l’apport de chaleur. Également, la proportion de ferrite aciculaire (AF) dans le WM augmentait initialement, alors que les fractions volumiques de ferrite des joints de grain (GBF) et de ferrite de Widmanstatten (WF) diminuaient avec l’augmentation du courant de soudage. Cependant, avec une augmentation supplémentaire du courant de soudage au-dessus de 800 A, moins de ferrite aciculaire était produite. La région du noyau de soudure diminuait avec une augmentation de la vitesse de soudage à toutes les valeurs de courant, mais la quantité d’AF produite n’était pas affectée.     

Effect of electrolyte additives on microstructure and properties of electroplated chromium coatings

Abstract

Recent progress in environmental science provides an incentive to explore the use of hexavalent chromium for anticorrosion and wear protection purposes. To this end, this work aims to explore the evolution of the microstructure of chromium coatings as a function of electric current through the electrolyte in the presence of organic and non-organic additives. In this study, the fundamental properties of electroplating related to hard chromium such as hardness (wear resistance) and cathode efficiency are reviewed with respect to cathode current. The results obtained show that the microstructure is sensitive to the presence of organic admixtures in the plating solution. In addition, the effect of hard microparticles on the plating process at enhanced values of cathode current is reported. The cathode efficiency for different plating speeds and in different chromium electrolytes is calculated from the experimental results.

Les progrès récents des sciences de l’environnement fournissent une incitation à explorer l’utilisation du chrome hexavalent pour le but de protection contre la corrosion et l’usure. À cette fin, ce travail vise à explorer l’évolution de la microstructure de revêtements de chrome en fonction du courant électrique à travers l’électrolyte en présence d’additifs organiques et inorganiques. Dans cette étude, on analyse les propriétés fondamentales de l’électroplastie reliées au chrome dur comme la dureté (résistance à l’usure) et l’efficacité de la cathode, par rapport au courant de la cathode. Les résultats obtenus montrent que la microstructure est sensible à la présence d’additifs organiques dans la solution de placage. En plus, on rapporte l’effet de micro particules dures sur le procédé de placage à des valeurs augmentées du courant de la cathode. À partir des résultats expérimentaux, on calcule l’efficacité de la cathode à différentes vitesses de placage et avec différents électrolytes de chrome.     

Reduction behaviour of rice husk ash for preparation of high purity silicon

Abstract

The reduction of rice husk ash (RHA) silica for the preparation of high purity silicon was studied using magnesium as the reducing agent. Composite magnesium–RHA pellets with magnesium content varying 0–25 wt-% in excess of stoichiometry requirement were made and heated in the temperature range of 600–900°C under flowing argon. It was found through differential thermal analysis and temperature profile recording that the reaction of RHA silica with magnesium was triggered at ～575°C. Quantitative X-ray diffraction analyses of the reduction products showed that both initial magnesium content of the pellets and the reduction dwell temperature had a significant influence on the yield of silicon. In this study, a charge with 5 wt-% magnesium in excess of the stoichiometric amount at a reduction temperature of 900°C gave a maximum silicon yield.

On a étudié la réduction de la silice de cendre de balle de riz (RHA) dans la préparation de silicium à haut degré de pureté en utilisant du magnésium comme agent de réduction. On a fabriqué des boulettes composites de magnésium-RHA avec une teneur en magnésium variant de 0 à 25% en poids en excès des besoins de la stoechiométrie et on les a chauffées dans la gamme de température de 600 à 900°C sous un flux d’argon. On a trouvé, par analyse thermique différentielle (DTA) et par enregistrement du profil de température, que la réaction de la silice de RHA avec le magnésium était déclenchée à environ 575°C. Des analyses quantitatives par XRD des produits de réduction ont montré que tant la teneur initiale en magnésium des boulettes que la température de maintien de la réduction avaient une influence importante sur le rendement en silicium. Dans cette étude, une charge avec 5% en poids d’excès de magnésium sur la quantité stoechiométrique à la température de réduction de 900°C donnait un rendement maximal de silicium.     

Enhancement of the Cementitious Properties of Steelmaking Slag

Abstract

The overall objective of this work was to determine whether steel slag might be processed into a sufficiently cementitious material to allow it to be recycled as an additive to ordinary Portland cement clinker. Steel slag has limited cementitious properties due to both a lack of tricalcium silicate and the presence of wustite solid solutions as a predominant mineral phase. This work explores the effects of Fe oxidation state, overall composition, and cooling rate on the mineral structure, crystalline formation, and glass forming ability of several synthetic slags and one commercial BOF slag. XRD, SEM, and EDX analyses were performed on both slow cooled and quenched slags which had been oxidized. The granulated slag product was blended with Portland cement in varying ratios and hydrated to form cylindrical compression specimens. By controlling certain slag processing conditions, specifically the oxidation of bivalent xiron and the quenching rate of the molten slag, the cementitious nature of the material is enhanced. This allows the material to be blended with Portland cement (at additions of up to 20% by weight), without affecting the strength and performance of the material. © 1998 Published on behalf of Canadian Institute of Mining and Metallurgy by Elsevier Science Ltd. All rights reserved.

Résumé

L'objectif général de ce travail consistait à déterminer si on pouvait transformer le laitier de l'acier en un matériau ayant des propriétés ad é quates permettant de le recycler comme additif de clinker de ciment Portland ordinaire. Le laitier ctacier a des propriétés limité es comme ciment dll à la fois au manque de silicate tricalcique et à la présence de solutions solides de wustite dans la phse minerale pr é dominante. Ce travail explore les effets de l'état d'oxydation du Fe, de la composition générale et du taux de refroidissement su la structure minerale, sur la formation de cristaux et sur la capacité de formation de verre de plusieurs laitiers synthétiques et d'un laitier de fournaise basique a oxyg è ne. On a effectu é des analyses XRD, SEM et EDX, tant de laitiers refroidis lentement que de laitiers trempes, qui auparavant avaient ete oxydes. On a melange le produit de laitier granule avec du ciment Portland en diverses proportions et on l'a hydrate pour former des echantillons de compression cylindriques. En controlant certaines conditions de traitement du laitier, plus specifiquement l'oxydation du fer bivalent et le taux de trempe du laitier fondu, les propi étés-ciments de ce materiau sont ainsi ameliorées. Ceci permet de melanger le matériau avec du ciment Portland (additions jusqu' à 20% en poids), sans affecter la résistance ni la performance du matériau. © 1998 Published on behalf of Canadian Institute of Mining and Metallurgy by Elsevier Science Ltd. All rights reserved.     

Influence of welding parameters on peak load and energy absorption of dissimilar resistance spot welds of DP600 and AISI 1008 steels

Abstract

This paper addresses the mechanical performance of dissimilar resistance spot welds between DP600 and AISI 1008 low carbon steels. The weldability lobe was established and proper welding conditions to produce welds with sufficient size and without expulsion were determined. Correlations among the process parameters (welding current and welding time), physical spot weld attributes (fusion zone size and electrode indentation depth) and mechanical performance (peak load and energy absorption) were analysed. It was shown that the increases in welding current and welding time result in increases in fusion zone size and electrode indentation depth. In the low heat input welding condition, welds failed in interfacial failure mode. Increasing welding heat input results in sufficient weld size and promotes pullout failure mode with improved mechanical properties in terms of peak load and failure energy. However, a further increase in heat input caused metal expulsion and the failure mode was changed to partial pullout–partial thickness mode with reduced energy absorption capability.

Cet article discute du rendement mécanique de soudures dissimilaires par points entre les alliages à faible carbone DP600 et AISI 1008. On a établi le lobe de soudabilité et l’on a déterminé les conditions appropriées de soudage afin de produire des soudures d’une taille suffisante et sans expulsion. On analyse la corrélation entre les paramètres du processus (courant de soudage et temps de soudage), les attributs physiques de la soudure par points (taille de la zone de fusion et profondeur d’indentation de l’électrode) et le rendement mécanique (charge maximale et absorption d’énergie). On a montré qu’une augmentation du courant de soudage et du temps de soudage avait pour résultat une augmentation de la taille de la zone de fusion et de la profondeur d’indentation de l’électrode. Sous condition de soudage à faible apport de chaleur, les soudures défaillaient en mode de défaillance à l’interface. L’augmentation de l’apport de chaleur de soudage avait pour résultat une taille de soudure suffisante et favorisait le mode de défaillance par arrachement avec des propriétés mécaniques améliorées quant à la charge maximale et à l’énergie de défaillance. Cependant, une augmentation additionnelle de l’apport de chaleur résultait en l’expulsion du métal et le mode de défaillance se changeait en un mode d’arrachement partiel-épaisseur partielle avec capacité réduite d’absorption d’énergie.     

Solid state and smelting reduction of Panzhihua ilmenite concentrate with coke

Abstract

Solid state and smelting reduction of ilmenite is an important process of upgrading ilmenite to high titania feedstock. In this study, an ilmenite concentrate supplied by Panzhihua Iron and Steel (Group) Co. was first reduced at solid state in an electric resistance furnace, followed by smelting reduction in an induction furnace. The effects of reducing agent (carbon) amount on the chemical composition of the solid state reduction sample and the titania slag reduced from them, were analysed. It was found that the metallisation of iron in the solid reduction samples and the grade of titania slag generally increased with increasing carbon amount from 8 to 12%, and then remained constant when the carbon amount was increased above 12%. The content of metallic iron in the titania slag increased with increasing carbon amount, because the slag viscosity and liquidus temperature increased with decreasing FeO content. It was also known that the content of Ti₂O₃ increased with decreasing the content of FeO in the slag. Some metallic iron particles were found in the high titania slag samples. The liquidus lines and viscosity of the slag were calculated using FactSage to explain the experimental results.

La réduction à l’état solide et par fusion de l’ilménite est un procédé important de valorisation de l’ilménite pour charge d’alimentation à haute teneur en dioxyde de titane. Dans cette étude, un concentré d’ilménite fourni par le groupe Panzhihua Iron and Steel Co. a d’abord été réduit à l’état solide dans un four électrique à résistances, suivi par la réduction par fusion dans un four à induction. On a analysé les effets de la quantité d’agent réducteur (carbone) sur la composition chimique de l’échantillon de réduction à l’état solide et de la scorie de dioxyde de titane réduit à partir de lui. On a trouvé que la métallisation du fer dans les échantillons de réduction solide et la qualité de la scorie de dioxyde de titane augmentaient généralement avec une augmentation de la quantité de carbone de 8 à 12%, et ensuite restaient constantes lorsqu’on augmentait la quantité de carbone au-delà de 12%. La teneur en fer métallique dans la scorie de dioxyde de titane augmentait avec l’augmentation de la quantité de carbone, parce que la viscosité de la scorie et la température du liquidus augmentaient avec une diminution de la teneur en FeO. On sait également que la teneur en Ti₂O₃ augmentait avec une diminution de la teneur en FeO dans la scorie. On a trouvé quelques particules de fer métallique dans les échantillons de scorie à haute teneur en dioxyde de titane. On a calculé les lignes de liquidus et la viscosité de la scorie en utilisant FactSage pour expliquer les résultats expérimentaux.     

Current efficiency measurements laboratory aluminum cells II. Influence of alumina content

Abstract

The current efficiency (CE) in a laboratory aluminum electrolytic cell was determined by gas analysis as a function of the alumina content in the cryolite melt. Additions of CaF₂, AlF₃ and LiF all increased the CE, while NaCl had the opposite effect. The CE exhibited a distinct minimum in the range from 3 to 7 wt% Al₂O₃, depending on the composition of the melt.

Résumé

Le rendement du courant dans une cellule de laboratoire d'électrolyse de l'aluminium a été déterminé par l'analyse des gaz en fonction de la teneur en alumine du bain de cryolite. Des additions de CaF₂, Alf₃ et LiF augmentent Ie rendement alors que Ie NaCl a un effet contraire. Le rendement de courant passe par un minimum pour une teneur en Al₂O₃ variant de 3 à 7% selon la composition du bain.